Laserowy pomiar pól prędkości przepływu w modelu elektrofiltru

Transkrypt

1 Laserowy pomiar pól prędkości przepływu w modelu elektrofiltru Jarosław DEKOWSKI, Jerzy MIZERACZYK, Marek KOCIK, Janusz PODLIŃSKI, Mirosław DORS, Helena NOWAKOWSKA, Jarosław MIKIELEWICZ Ośrodek Techniki Plazmowej i Laserowej Instytut Maszyn Przepływowych, Polska Akademia Nauk ul. Fiszera 14, Gdańsk, jmiz@imp.gda.pl STRESZCZENIE W niniejszej pracy przedstawiono wyniki pomiarów pól prędkości przepływu pyłu za pomocą metody PIV (Particle Image Velocimetry) w modelu elektrofiltru. Celem badań jest zbadanie efektywności wychwytu submikronowych cząstek, zawierających szkodliwe substancje, w przemysłowych elektrofiltrach. Zaobserwowano silne oddziaływania pomiędzy polem elektrycznym, ładunkiem przestrzennym i przepływem gazu. 1. Wstęp W ostatnich latach zwrócono szczególną uwagę na kontrolę emisji mikronowych i submikronowych cząstek w filtrach elektrostatycznych. Filtry te mimo bardzo wysokiej ogólnej skuteczności oczyszczania nie są efektywne w usuwaniu tej frakcji pyłów. Wiele drobnych cząstek o wielkości 1 μm lub mniejszych zawiera toksyczne substancje, takie jak ołów, rtęć, arsen, cynk. Ruch cząstek pyłu w filtrze elektrostatycznym zależy przede wszystkim od natężenia pola elektrycznego, rozkładu ładunku przestrzennego, pola prędkości przepływu gazu i właściwości płynu. Wpływ tych czynników na ruch cząstek przejawia się powstaniem znacznych turbulencji przepływu gazu w rejonie pomiędzy elektrodami ulotowymi a zbiorczymi [1-7]. Pola prędkości przepływu gazu oraz wynikowy ruch cząstek pyłu w modelach elektrofiltrów były badane przy pomocy różnorodnych technik wizualizacyjnych [np. 8,9] oraz technik laserowych, takich jak dopplerowska anemometria laserowa (LDA) [np. 5,10-12]. Techniki wizualizacyjne oraz laserowe umożliwiają wykonanie badań w przepływach z silnym polem elektrycznym, gdzie zastosowanie klasycznych technik, jak np. termoanemometria jest niemożliwe. W ostatnich latach do badań zjawisk przepływowych została wprowadzona i rozwinięta metoda PIV (Particle Image Velocimetry) [np. 13]. Z nielicznych badań wynika, że metoda PIV jest bardzo przydatna w badaniach pól prędkości przepływu oraz rozkładu koncentracji pyłu w elektrofiltrach [np. 14]. Celem niniejszej pracy było wyznaczenie pola prędkości pyłu i rozkładu jego koncentracji w modelu elektrofiltru o geometrii drut-płyta z trzema elektrodami ulotowymi dla różnych średnich prędkości przepływu i napięć na elektrodach ulotowych. 2. Stanowisko pomiarowe Stanowisko do pomiaru pól prędkości przepływu w modelu elektrofiltru metodą PIV składało się z (rys. 1) modelu elektrofiltru, zasilacza wysokiego napięcia, aparatury pomiarowej PIV. Wymiary modelu elektrofiltru zostały dobrane tak, aby prędkość gazu roboczego i liczba Reynoldsa były takie same jak w rzeczywistym elektrofiltrze [15,16]. Przez

2 rzeczywisty elektrofiltr przepływają gazy spalinowe z kotłów węglowych o temperaturze C. Przez nasz model elektrofiltru przepływało powietrze o temperaturze pokojowej, o lepkości dynamicznej dwukrotnie większej od lepkości gazów spalinowych w elektrofiltrze. Aby zachować wartość prędkości gazu roboczego oraz liczbę Reynoldsa wymiary poprzeczne naszego modelu elektrofiltru są dwukrotnie mniejsze niż w pojedynczym elemencie rzeczywistego elektrofiltru. Model elektrofiltru wykonano z pleksiglasu w kształcie kanału o przekroju prostokątnym (długość 1 m, szerokość 20 cm, wysokość 10 cm). Pleksiglasowe ściany boczne modelu umożliwiały obserwację pola pomiarowego za pomocą kamery CCD. W dolnej i górnej ścianie kanału umieszczono równolegle do siebie stalowe elektrody zbiorcze. Pomiędzy bocznymi ścianami zostały rozpięte elektrody ulotowe (rys. 1). Rys.1. Stanowisko pomiarowe. Elektrody zbiorcze były wykonane z blachy z nierdzewnej stali o grubości 2 mm. Odległość pomiędzy elektrodami zbiorczymi wynosiła 10 cm, a ich długość 60 cm. Elektrody ulotowe, wykonane z nierdzewnego stalowego drutu o średnicy 0,9 mm, zostały zamocowane w ścianach pionowych modelu w połowie wysokości kanału (5 cm od elektrod zbiorczych). Środkową elektrodę ulotową zamontowano w połowie długości elektrody zbiorczej. Celem ustabilizowania strumienia gazu wpływającego do modelu zastosowano prostownicę ulową. Pomiar pola prędkości przepływu metodą PIV polega na znalezieniu przesunięcia elementów tzw. posiewu (drobiny rozpraszające światło) pomiędzy dwoma obrazami pola pomiarowego, zarejestrowanymi przez kamerę w znanym odstępie czasu. Pole pomiarowe zostaje oświetlone światłem lasera w kształcie płaszczyzny, które rozpraszając się na cząstkach posiewu zostaje zarejestrowane jako chwilowy obraz przepływu. W badaniach użyto standardowego zestawu do pomiarów PIV firmy Dantec składającego się z lasera Nd:YAG (λ=532 nm), układu optycznego do tworzenia płaszczyzny laserowej, kamery CCD Kodak Megaplus 1.0, komputera PIV Dantec 1100 oraz komputera personalnego. Jako posiewu użyto dymu tytoniowego. Płaszczyznę laserową, utworzoną przy pomocy teleskopu składającego się z soczewki cylindrycznej i sferycznej usytuowano w połowie szerokości kanału, równolegle do kierunku przepływu.

3 3. Wyniki pomiarów Wykonano pomiary pola prędkości przepływu dla dwóch różnych odległości pomiędzy elektrodami ulotowymi: a) 10 cm (odległość pomiędzy elektrodami ulotowymi równa odległości pomiędzy elektrodami zbiorczymi), b) 5 cm (odległość pomiędzy elektrodami ulotowymi równa połowie odległości pomiędzy elektrodami zbiorczymi). Dla przypadku, gdy odległość między elektrodami ulotowymi wynosiła 10 cm pomierzono mapy pola prędkości drobin dymu dla ujemnej i dodatniej polaryzacji elektrod ulotowych o potencjale 30 kv, bez przepływu gazu roboczego. Mapy pola prędkości, o wymiarach 10 x 32 cm, powstały ze złożenia uśrednionych 30 pomiarów z dwóch sąsiednich obszarów pomiarowych o wymiarach 10x16 cm. Gdy odległość między elektrodami ulotowymi wynosiła 5 cm pomierzono mapy pola prędkości drobin dymu dla 5 różnych średnich prędkości przepływu gazu roboczego i 9 różnych napięć na elektrodzie ulotowej (dla ujemnej i dodatniej polaryzacji elektrod ulotowych). Mapy pola prędkości, o wymiarach 10 x 20 cm, powstały ze złożenia uśrednionych 30 pomiarów z dwóch sąsiednich obszarów pomiarowych o wymiarach 10x10 cm Wyniki pomiarów dla 3 elektrod ulotowych oddalonych od siebie o 10 cm Rys. 2 przedstawia pole prędkości przepływu pyłu w modelu elektrofiltru z trzema elektrodami ulotowymi dla ujemnej polaryzacji elektrod ulotowych bez napływu gazu roboczego. Potencjał elektrod ulotowych wynosił 30 kv. Na rys.2 (i następnych) początek osi współrzędnej x usytuowano w miejscu położenia pierwszej elektrody ulotowej, licząc od prawej strony. Początek osi współrzędnej y usytuowano w połowie wysokości kanału (patrz także rys. 1). Rys.2. Uśrednione pole prędkości pyłu w modelu elektrofiltru (3 elektrody ulotowe oddalone od siebie o 10 cm) bez napływu gazu roboczego. Polaryzacja elektrod ulotowych ujemna -30 kv, natężenie prądu 300 A. Jak widać na rys. 2, w modelu elektrofiltru wykształciły się stabilne struktury wirowe zamknięte w kwadratowych obszarach o bokach równych połowie odległości pomiędzy

4 elektrodami zbiorczymi. Struktury wirowe są usytuowane symetrycznie względem płaszczyzny równoległej do elektrod zbiorczych zawierającej elektrody ulotowe, oraz względem płaszczyzny prostopadłej do elektrod zbiorczych zawierającej środkową elektrodę ulotową. Struktury wirowe zaobserwowane dla polaryzacji dodatniej elektrod ulotowych były zbliżone do struktur zaobserwowanych dla polaryzacji ujemnej. Pomierzone struktury wirowe są zgodne w formie ze strukturami wyznaczonymi numerycznie [17] Wyniki pomiarów dla 3 elektrod ulotowych odległych od siebie o 5 cm Bez przyłożonego napięcia do elektrod ulotowych, wektory prędkości w całym polu pomiarowym były równoległe do elektrod zbiorczych (rys. 3). Dokładniejsza analiza pola prędkości przepływu oraz fluktuacji prędkości w warstwie przyściennej dla tego przypadku wykazała, że warstwa przyścienna staje się turbulentna dla średniej prędkości przepływu większej od 0,5 m/s. Rys.3. Uśrednione pole prędkości przepływu pyłu w modelu elektrofiltru (3 elektrody ulotowe odległe od siebie o 5 cm) dla średniej prędkości przepływu gazu 0,6 m/s. Napięcie pracy V=0. Charakter przepływu zmienia się dramatycznie po przyłożeniu napięcia wyższego od napięcia, przy którym zaczyna się wyładowanie koronowe (corona onset voltage). Przepływ wówczas staje się turbulentny i pojawiają się jego koherentne struktury, których rozmiar i położenie zależy od napięcia pracy, jego polaryzacji oraz od średniej prędkości przepływu gazu. Na rys. 4 i 5 przedstawiono pomierzone pola prędkości przepływu w modelu elektrofiltru dla potencjału na elektrodach ulotowych odpowiednio +28 kv i 28kV, przy średniej prędkości przepływu gazu 0,6 m/s. Na obu rysunkach widać silne zaburzenia przepływu w okolicy elektrod ulotowych, oraz struktury wirowe przy elektrodach zbiorczych w górę przepływu od pierwszej elektrody ulotowej. Struktury przepływu dla polaryzacji dodatniej (rys. 4) były bardziej stabilne niż dla polaryzacji ujemnej (rys. 5).

5 Rys.4. Uśrednione pole prędkości przepływu pyłu w modelu elektrofiltru (3 elektrody ulotowe odległe od siebie o 5 cm) dla średniej prędkości przepływu gazu 0,6 m/s. Polaryzacja dodatnia +28 kv, natężenie prądu 120 A. Rys.5. Uśrednione pole prędkości przepływu pyłu w modelu elektrofiltru (3 elektrody ulotowe odległe od siebie o 5 cm) dla średniej prędkości przepływu gazu 0,6 m/s. Polaryzacja ujemna -28 kv, natężenie prądu 180 A. 4. Wnioski Najważniejsze cechy charakterystyczne pól prędkości przepływu pyłu (drobin dymu) w modelu elektrofiltru z trzema elektrodami ulotowymi są następujące:

6 a) Przypadek polaryzacji dodatniej: - pole prędkości jest symetryczne względem płaszczyzny zawierającej elektrody ulotowe, - nawet dla niskich potencjałów elektrycznych na elektrodach ulotowych występują wyraźne struktury przepływu; b) Przypadek polaryzacji ujemnej: - pole prędkości jest niesymetryczne względem płaszczyzny zawierającej elektrody ulotowe, - struktury przepływu są nieregularne. Pomiary PIV pola prędkości przepływu w modelu elektrofiltru wykazały, że istnieją silne oddziaływania pomiędzy polem elektrycznym, ładunkiem przestrzennym i przepływem gazu. Zaobserwowany przepływ wtórny w kierunku elektrod zbiorczych o prędkości rzędu kilkudziesięciu centymetrów na sekundę może mieć duży wpływ na wychwyt małych drobin. Obecnie trwają badania wpływu elektrycznie generowanej turbulencji przepływu na skuteczność wychwytu submikronowych drobin w elektrofiltrze. Podziękowania Powyższe badania były finansowane przez Komitet Badań Naukowych (grant PB 1756/T10/01/21), Fundację Nauki Polskiej (subsydium 8/2001) oraz Instytut Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk (temat O3/Z3/T2). Literatura [1] W.J. Liang, T.H. Lin, Aerosol Sci. Technol. 20 (1994) [2] T. Yamamoto, H.R. Velkoff, J. Fluid Mech. 108 (1981) 1-18 [3] E.J. Shoughnessy, J.H. Davidson, J.C. Hay, Aerosol Sci. Technol. 4 (1985) [4] A. Yabe, Y. Mori, K. Hijikata, AIAA Journal, 16 (1978) [5] C. Riehle, F. Löffler, Part. Part. Syst. Charact. 10 (1993) [6] J. Miller, A.J. Schwab,, in: Proc. Int. Symp. Filtration and Separation of Fine Dust, Wien, 1996 [7] T. Ohkubo, S. Imada, S. Akamine, S. Kanazawa, Y. Nomoto, T. Adachi, Faculty of Engineering Investigation Report No 27, 1997, pp [8] M. Jędrusik, A. Swierczok, P. Modzel, J. Electrostatics 44 (1998) [9] S.H. Jeong, S.S. Kim,, Aerosol Sci. Technol. 29 (1998) [10] S. Masuda, K. Akutsu, T. Nakane, in: Proc. Annual Conf. of the Institute of Electrostatics Japan, 1978 [11] P.A. Lawless, E.J. Shaughnessy, in: Proc. IEEE-IAS, 1981, p [12] C. Halldin, R. Hakansson, L.E. Johansson, K. Porle, in: Proc. 6 th Int. Conf. on Electrostatic Precipitation, Technical University of Budapest, Budapest, Hungary, 1996, pp [13] T. Asanuma, in: Proc. 1 st Int. Symp. On Flow Visualisation and Image Processing, PCTFE, Honolulu, Hawaii (1997), pp.1-20 [14] J. Mizeraczyk, M. Kocik, J. Dekowski, M. Dors, J. Podliński, T. Ohkubo, S. Kanazawa, T. Kawasaki, J. Electrostatics (2001), 51-52, [15] J. Miller, A.J. Schwab, J. Electrostatics 29 (1992) [16] J. Miller, A.J. Schwab, Powder Technology 77 (1993) [17] M. Robinson, AIEE Journal (1961)